CAN-bus-teknologien bliver stadig mere udbredt. Men på grund af alvorlig elektromagnetisk interferens i områder som industrielt udstyr og industriel automation er det særligt vigtigt at sikre normal CAN-bus-kommunikation. Denne artikel vil analysere årsagerne til elektromagnetisk interferens i busnetværk ved hjælp af-højhastigheds CAN FD-transceivere samt specifikke løsninger til forbedring.
Elektromagnetisk kompatibilitetsanalyse i CAN FD-netværk
Ved design af elektroniske produkter har ydeevnen for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) en betydelig indvirkning på systemet og er afgørende for dets normale og stabile drift. Obligatoriske restriktioner for elektroniske produkters elektromagnetiske kompatibilitet er allerede implementeret over hele verden, og EMC-ydelse er blevet en nøgleindikator for produktkvalitet.
Elektromagnetisk kompatibilitet omfatter primært to aspekter: det ene er den negative elektromagnetiske interferens, der genereres af selve produktet, kendt som elektromagnetisk interferens-emission (EMI); den anden er produktets følsomhed over for eksterne elektromagnetiske signaler, kendt som elektromagnetisk følsomhed (EMS). Interferenskilden, koblingsvejen og det følsomme udstyr er de tre væsentlige elementer i elektromagnetisk kompatibilitet, og ingen kan udelades.
Elektromagnetiske interferenssignaler kan kobles gennem to veje: ledet og udstrålet. Afhængigt af koblingsmekanismen klassificeres interferens i almindelig-tilstandsinterferens og differentiel-tilstandsinterferens. Fælles-tilstandsinterferens opstår mellem alle signallinjer (inklusive signallinjer, datalinjer og elledninger) og jord, mens differentiel-tilstandsinterferens opstår mellem signallinjer.
Foranstaltninger til forbedring af elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) falder i tre kategorier: forbedring af det elektroniske udstyrs EMC-ydeevne, brug af afskærmningsteknologi til at undertrykke udstrålet kobling og anvendelse af isolation til at undertrykke ført kobling.
1. EMC Design
Designet af master- og slave-kredsløbskortene er afgørende for systemets EMC, og et printkorts evne til at udsende og modtage elektromagnetisk stråling er ofte konsistent. Derfor vil en forbedring af et printkorts immunitet over for interferens også undertrykke dets elektromagnetiske emissioner. Nøglefaktorerne i PCB EMC-design inkluderer følgende:
Komponentvalg og layout
Vælg komponenter med god EMC-ydelse, og prioriter overflade-monteret emballage, når det er muligt. Arranger komponenter logisk, og anbring relaterede komponenter så tæt på hinanden som muligt for at minimere ledningslængder mellem delene. Især skal krystaloscillatorerne, der tjener som clock-kilder til mikrocontrollere og CAN-controllere, placeres i overensstemmelse med specifikationerne; ellers vil de ikke svinge.
Korrekt jordlayout for at reducere jordimpedans
Jordpotentialet tjener som referencepotentialet for alle signaler. Ideelt set bør alle jordpunkter på printkortet have samme potentiale; På grund af jordimpedans er der dog potentielle forskelle mellem jordpunkterne. Derfor bør jordimpedans minimeres så meget som muligt. Den mest effektive metode er at bruge et flerlagstavle med et dedikeret jordplan i midten.
Stabilisering af strømforsyningen
Unideelle forhold, såsom transiente effekter under logiske gate-udgangstilstandsovergange og tilstedeværelsen af strømledningsimpedans, introducerer uundgåeligt støj i strømforsyningsledningerne. Denne støj forårsager ikke kun unormal kredsløbsdrift, men genererer også betydelig elektromagnetisk stråling. Ud over at bruge et net til at reducere induktansen og impedansen af strømledningerne, kan der også anvendes lagerkondensatorer.
2. Elektromagnetisk stråling og elektromagnetisk afskærmning
Elektromagnetisk afskærmning er en af de vigtigste metoder til at løse problemer med elektromagnetisk kompatibilitet. Det forstyrrer ikke den normale drift af kredsløb og kræver ikke kredsløbsmodifikationer. Effektiviteten af et skjold måles ved dets afskærmningsydelse, som består af to komponenter: reflektionstab og absorptionstab. Opretholdelse af skjoldets elektriske kontinuitet er afgørende for dets effektivitet. CAN bus kabler er meget modtagelige for både udstråling og modtagelse af interferens.
Sløjfeområdet mellem de to ledninger i et snoet-parkabel er meget lille, og de strømme, der induceres i to tilstødende sløjfer, er i modsatte retninger og udligner derved hinanden. Jo strammere snoet i det snoede-par kabel, jo mere udtalt bliver denne effekt. For at reducere krydstale mellem de to CAN-busser i netværkssystemet skal hvert par snoede-par kabler skærmes separat, og eventuelle ubrugte ledere i kablet skal forbindes til signaljord.
Forøg vridningstætheden; jord skjoldet
3. Ledet interferens og signalisolering
Under normal systemdrift omfatter komponenter, der genererer betydelig ført interferens, skiftende strømforsyninger, servodrev og I/O-kontrolenheder. Den mest skadelige type interferens er imidlertid transient interferens, som er karakteriseret ved kort varighed, høj amplitude og lav effekt.
Former for transient interferens omfatter: hurtige elektriske pulsgrupper, der genereres, når en motors tilstand ændres; overspændinger forårsaget af lynnedslag eller høj-strømforsyning af kabler; og elektrostatisk udladning (ESD) induktion. Ledet interferens er overvejende almindelig-tilstand, selvom der også forekommer en vis differentiel-tilstandsinterferens. EMC-foranstaltninger, der anvendes i systemet for at sikre pålideligheden af CAN-bus-kommunikation omfatter: signalbeskyttere, transient spændingsundertrykker (TVS) dioder, isolerede transceivere og optisk isolation.
Signalbeskytter
Eksterne dedikerede signalbeskyttere eliminerer interferens; for eksempel absorberer ZF-12Y2 interferens, og CANFD-broen fungerer som en isolator.
Signalbeskytter og CANFDBridge-isolering
Transient Voltage Suppressor (TVS)
Transientspændingsdæmpere er forbundet parallelt mellem signalledningen og signaljorden for at beskytte kabler mod høje-spændingsoverspændinger forårsaget af lynnedslag eller elektrostatisk udladning. Når spændingen over TVS'et overstiger en vis tærskel, leder enheden hurtigt, hvorved overspændingsenergien spredes og spændingsamplituden begrænses til et specifikt område.
Isolerede transceivere
Isolation er en ideel løsning til at adressere ført interferens, der tilbyder fremragende elektrisk isolering og interferensimmunitet. Når man vælger en isoleret transceiver, skal transmissionsforsinkelse være den primære overvejelse, da det påvirker både transmissionsafstanden og kvaliteten af bussen. Det anbefales at bruge den magnetisk isolerede CTM5MFD til at designe grænsefladetransceiverkredsløbet.
Optisk isolering
Optisk isolering er en ideel løsning til at løse problemer med ledningsinterferens, da den tilbyder fremragende elektrisk isolering og interferensimmunitet. Når du vælger optokoblere, skal to parametre tages i betragtning: udbredelsesforsinkelse og almindelig-mode afvisning (CMR). Forudsat at udbredelsesforsinkelsen opfylder kravene til datakommunikationsbaudrate, bør modeller med høj almindelig-modeafvisning vælges, når det er muligt. Metoden til at måle en optokoblers fælles-mode afvisningsevne er den maksimale fælles-mode spændingsstignings- (fald)hastighed (CMH/CML), som outputtet kan modstå, mens det forbliver højt (lavt). Efter implementering af optisk isolering skal strømforsyningsisolering også anvendes.
Oversigt
Strålingen fra forskellige interferenskilder er kompleks, og fuldstændig eliminering af elektromagnetisk interferens er en umulig opgave. Men baseret på de grundlæggende principper for elektromagnetisk kompatibilitet kan der træffes foranstaltninger for at minimere elektromagnetisk interferens og holde den inden for systemets tolerable grænser, for derved at sikre pålidelig drift af systemet eller udstyret. De forbedringstiltag, der er skitseret ovenfor, kan effektivt forbedre den elektromagnetiske kompatibilitetsydelse af CAN FD-enheder.